Studio per l industrializzazione di un motore per microvetture

Transcript

1 Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Tesi di Laurea in Disegno Tecnico Industriale Studio per l industrializzazione di un motore per microvetture Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Dott. Ing. Daniela Francia Studente: Antonio Cucca

2 OBIETTIVI Realizzare un motore con architettura V 90 per microvetture con le caratteristiche seguenti : Versatilità: Economicità bicilindrico con potenza di: 8 kw versione aspirata 1 cilindro attivo (4 kw per la trazione + 4 kw per il condizionatore quando funzione); 69 kw versione sovralimentata 2 cilindri attivi; Adottare dei componenti commerciali di basso costo e provata affidabilità Architettura bicilindrico semplice e razionale: facilità di montaggio/smontaggio; lavorazioni meccaniche esigue; esiguo numero di componenti. Materiale economico: ghisa sferoidale GS UNI 4544

3 ANALISI COMPARATIVA DEL PROBLEMA Lo studio condotto dall ing. Cervigni ha evidenziato la possibilità di realizzare un bicilindrico in alluminio con carter ad apertura verticale e cilindri separati Vantaggi: leggero (ρ Al=2,8 Kg/dm 3 ); Svantaggi: elevato numero di componenti bassa rigidezza dei carter necessità di utilizzare cuscinetti a sfere per il banco (v. bicilindrico Ducati) elevato numero di lavorazioni meccaniche; complessità di assemblaggio/smontaggio; AUMENTO DEI COSTI

4 Ipotesi di Soluzione Progettazione del monoblocco e banco coppa olio alla luce di una riduzione del numero di componenti totali. Scelta di un materiale più economico (ghisa sferoidale) in previsione di un abbattimento dei costi. Previsione di raffreddamento a convezione naturale: eliminazione della pompa di ricircolo.

5 Componenti commerciali Pistoni (Mahle-Asso Lega di Alluminio T5) Bielle (38 Mn Si V6)

6 Albero motore Albero motore in ghisa sferoidale di grosso diametro con condotti olio ricavati di fusione, adatto anche sia al motore monocilindrico da 8 kw che al motore bicilindrico sovralimentato da 69 kw

7 IL MONOBLOCCO Spessore pareti 6mm per facilitare la fusione Elevati raggi di raccordo Riduzione delle nervature (costo) Condotti per la lubrificazione ricavati per fusione hanno anche funzione di irrigidimento Spessore parete canna cilindro ridotto a 4mm per facilitare il raffreddamento Viti prigioniere il più lunghe possibile per facilitare il montaggio del banco coppa e migliorare la resistenza a fatica Eliminazione di cartelle e cappellotti di banco Semplificazione costruttiva

8 IL BANCO CON COPPA DELL OLIO INTEGRATA Ghisa sferoidale Spessore pareti 6mm Capacità olio 1,6 lt Riduzione numero dei pezzi Elevata rigidezza

9 La geometria dell assieme e l elevata rigidezza permettono l utilizzo di cuscinetti a lubrificazione fluidodinamica (bronzine trimetalliche commerciali) con i classici anelli di tenuta a labbro montati all esterno anch essi commerciali. La pompa dell olio trocoidale consente un elevata regolarità della pressione, migliorata dall elevata capacità dei condotti dell olio. Anche la pompa dell olio è un componente commerciale ricavato per sinterizzazione di polveri.

10 Lubrificazione Vantaggi di una Pompa Trocoidale: Minimi ingombri Minime perdite Efficienza nel tempo (totalmente immersa) Continuità di erogazione Tenuta con paraolio Mandata da filtro a rail principale monoblocco Mandata da pompa a filtro Valvola limitatrice di pressione Aspirazione da coppa

11 Lubrificazione: condotti nel monoblocco Necessità di distribuire il lubrificante alla testata e all albero motore. Condotti di mandata alla testata (diametro 18mm) ricavati per fusione Albero sostenuto con cuscinetti a strisciamento. Condotti di ritorno in coppa Rail principale ricavato di fusione (diametro 20mm) Condotti di adduzione ai cuscinetti di banco ricavati per foratura

12 IL PROPULSORE

13 IL PROPULSORE Volano maggiorato (nella versione monocilindrica) per migliorare il comfort di marcia grazie ad un maggiore regolarità di funzionamento Viti (Φ10mm) dimensionate per resistere ai carichi ciclici

14 IL RAFFREDDAMENTO DELLA VERSIONE MONOCILINDRICA DA 8 kw E assolutamente necessario contenere i costi Testata è sovradimensionata dal punto di vista termico si può pensare di fare funzionare il motore con un salto termico acqua da 80 a 105 C -> salto termico=25 C Il raffreddamento può essere effettuato con un sistema a convezione naturale (soluzione adottata ad es.nella Zundapp 125cc nel 1977) questo consente di eliminare la pompa dell acqua e la valvola termostatica. aumentata affidabilità Se il radiatore è opportunamente investito dal vento di corsa, si può eliminare l elettroventola. Infatti il diesel ha consumi proporzionali alla potenza erogata, quindi a bassa potenza ed in particolare al minimo consuma molto poco. Fino a 40 C è possibile eliminare l elettroventola. Nel caso di installazione del condizionatore è necessario comunque adottare l elettroventola perché c è uno scambiatore aggiuntivo e le temperature del vano motore crescono (il condizionatore è un optional a pagamento nelle microvetture)

15 IL RAFFREDDAMENTO:SCHEMA DI CALCOLO Raffreddamento per convezione Qlatoaria = KS ΔT SS Q ter =8kW h tubi=500mm (imposta) ΔT H20 =25 C Taria=35 C Vel max tubi=1m/s Φtubi=25,4mm Coeff. maggiorazione della superficie dei tubi lato aria pari 4 dovuto alle alette(aumenta il potere di scambio ) Q m Qter = C Δt lat coeff sicurezza=2 Re=7,6*10 4 ε/d=0,01 (imposto) λ=0,04 Ks=133,75 scambiatore con 7 tubi alettati aventi diametro interno pari a 25,4mm e altezza tubi di 500mm

16 ,della pompa dell acqua Conclusioni Lo studio ha evidenziato la possibilità di: realizzare il motore con materiali economici e con notevole risparmio nel numero di pezzi: cilindri separati i due semicarter (un solo monoblocco integrato) sostituzione dei cuscinetti radiali rigidi a sfere con bronzine la coppa dell olio la valvola termostatica la pompa dell acqua elettroventola nella versione senza condizionatore incremento di peso del solo basamento di 1,4 kg con soluzione in ghisa ρgs=7,1 Kg/dm 3 rispetto a soluzione in Al ρal=2,8 Kg/dm 3 compensato quasi totalmente dall assenza della valvola

17 Costi nettamente inferiori : Conclusioni geometrie semplici fusione in ghisa meno costosa, montaggio molto semplificato, riduzione delle lavorazione con eliminazione di numerosi piazzamenti e con l impiego di condotti ricavati per fusione in luogo di condotti ricavati per foratura Maggiore rigidezza complessiva del basamento (coppa integrata nel banco) Maggiore inerzia complessiva del manovellismo con incrementata regolarità di marcia nel caso di monocilindrico per microvetture Maggiore robustezza del manovellismo Minori costi Maggiore affidabilità complessiva

18 Cuscinetti Prb allineamento e rigidezza Condotti di fusione non poss perché troppo grossi per i cuscinetti Possibili sviluppi analisi del processo fusorio; analisi fem del basamento per le tensioni e e deformazioni; Zundapp cv